基于三維礦井應(yīng)急通信的脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)選取算法

喬　霞,韓　雪,胡　茜,鄭　坤（.中國礦業(yè)大學(xué),北京　00083;　.中國科學(xué)院計算機(jī)研究所,北京　00086）

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基于三維礦井應(yīng)急通信的脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)選取算法

喬霞1,韓雪2,胡茜2,鄭坤2
（1.中國礦業(yè)大學(xué),北京100083;2.中國科學(xué)院計算機(jī)研究所,北京100086）

摘 要：近年來國家對礦井安全生產(chǎn)和井下應(yīng)急通信救援重視程度越來越高，目前的井下應(yīng)急救援措施往往是通過鋪設(shè)應(yīng)急通信設(shè)備以接力的方式延伸至事故現(xiàn)場。但這種常規(guī)的救援方式的一個缺點(diǎn)是需要花費(fèi)大量的人力、物力和時間，不能很好的適應(yīng)應(yīng)急通信快速處置的要求。為此，引入一種脫網(wǎng)直通技術(shù)，利用井下未損壞的通信設(shè)備自組織小范圍通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通自救，并通過建立三維礦井模型和脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的選取以達(dá)到井下應(yīng)急通信負(fù)載均衡和降低時延的目的。

關(guān)鍵詞：脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；三維礦井模型；三維分簇算法；負(fù)載均衡

1　井下應(yīng)急通信研究背景及意義

目前，隨著國家對礦井生產(chǎn)安全的重視程度越來越高，以及近年來頻繁曝光的各類井下礦難事故，使得如何解決在礦井中發(fā)生礦難之后建立有效的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)這一難題成為當(dāng)前十分急迫的問題[1]。

煤礦井下開采范圍廣，基站部署多，當(dāng)發(fā)生煤礦事故時，井下主環(huán)網(wǎng)容易遭到破壞，使得與井上的通信被切斷。但由于井下大部分基站仍可以進(jìn)行正常工作，因此充分利用未損壞的基站進(jìn)行應(yīng)急通信將使得救援時間和救援成本大大減少。本文引進(jìn)一種脫網(wǎng)直通技術(shù)，該技術(shù)是一種使基站同時具有核心網(wǎng)功能和基站功能的技術(shù)。通過在基站中加入核心網(wǎng)組件，使正常運(yùn)行的基站實(shí)時備份核心網(wǎng)數(shù)據(jù)庫信息，以應(yīng)對隨時可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)中斷事件。當(dāng)判斷網(wǎng)絡(luò)中斷發(fā)生后，基站中備份的核心網(wǎng)組件自啟動，搜索網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下可能連接的基站設(shè)備，自組織形成小范圍的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。其中，啟動核心網(wǎng)功能的基站設(shè)備稱之為脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

本文主要解決的問題是，以三維礦井應(yīng)急通信為背景，在脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制約下進(jìn)行脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的選取。

2　相關(guān)工作

本文通過采用脫網(wǎng)直通技術(shù)和分簇算法將井下可用基站以適當(dāng)范圍自組織,選取脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)互通自救。分簇的優(yōu)點(diǎn)在于可促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的分布控制，加強(qiáng)局部通信。井下應(yīng)急通信最主要的是通信的及時性，因此延時需要盡可能地小。通過負(fù)載均衡或減小系統(tǒng)總負(fù)載可相應(yīng)地降低時延。

目前，大規(guī)模分簇算法的研究工作已有很多。如基于負(fù)載均衡的Grid Sectoring[2]算法，考慮距離對通信影響的K-means算法[3]等。但這些算法主要是在二維空間中進(jìn)行研究，很少有對符合礦井實(shí)際情況的三維環(huán)境進(jìn)行研究。當(dāng)?shù)V井發(fā)生事故時，影響的不僅僅是一條巷道的通信，往往對整個系統(tǒng)都有影響。因此，對三維礦井分簇應(yīng)急組網(wǎng)算法的研究是很有必要的。

3　三維礦井分簇模型

本文的井下應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)模型由兩部分組成：脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（OG off gateways）和基站節(jié)點(diǎn)（BN base station node）。當(dāng)發(fā)生礦難時，應(yīng)急通信使用未損壞的網(wǎng)絡(luò)自組織成小范圍網(wǎng)絡(luò)區(qū)域進(jìn)行及時互救。

3.1三維礦井系統(tǒng)模型

因此根據(jù)實(shí)際情況，我們建立一個三維的礦井系統(tǒng)模型。在圖1中，黑色的點(diǎn)代表基站節(jié)點(diǎn)（BN）。令三維礦井為一個空間受限的長方體區(qū)域G(x,y,z)，三維礦井包括所有BN。BN近似均勻分布于區(qū)域G，密度為λ，數(shù)量為N。

定義BN的平均傳輸范圍為R，表示任意兩個BN的幾何距離小于R的可相互通信。

3.2 井下網(wǎng)絡(luò)分簇及脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)選擇

在發(fā)生事故后，煤礦井下可用BN構(gòu)成三維大范圍網(wǎng)絡(luò)G。為減小網(wǎng)絡(luò)中通信負(fù)載和時延，將G進(jìn)行分區(qū)管理并在每一區(qū)域選取一個BN作為脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。其中將每一區(qū)域作為一個簇，區(qū)域中的脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為簇頭CH。簇的大小受到眾多因素的制約，若分簇較少時，將增加BN到CH的平均跳數(shù)（hops），即簇內(nèi)的負(fù)載增加；若分簇較多時，又造成簇間負(fù)載增加。因此，這里存在一個最優(yōu)簇的大小使得總負(fù)載最少。

N個BN均勻分布于區(qū)域G，且密度為λ。首先將G分成大小為a×a×a的小立方體網(wǎng)格。由上述井下基站網(wǎng)絡(luò)模型建立可知，BN的平均傳輸范圍為R，為使得網(wǎng)格中任何兩BN間可以相互通信，定義立方體網(wǎng)格的對角線長度等于R，則網(wǎng)格的邊長a的值為，如圖2所示。由此可知，每個立方體網(wǎng)格中BN間數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過的跳數(shù)為一跳。本文的目的是將網(wǎng)絡(luò)G分成多個立方體簇，因此每個簇由多個立方體網(wǎng)格構(gòu)成。假設(shè)每個立方體簇的邊長為D?a，如圖2所示為三維空間的一個立方體簇。D的最大值DMAX為：

λa3為一個立方體網(wǎng)格的BN數(shù)，D的值位于[1,DMAX]之間。則每個簇的BN數(shù)為λD3a3，區(qū)域G平均有個簇。

本文令CH位于簇中心的立方體網(wǎng)格，對于簇內(nèi)傳輸為BN通過最短路徑傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)CH，位于簇中心的立方體網(wǎng)格中BN離CH只有一跳的傳輸距離，在中心網(wǎng)格周圍下一層網(wǎng)格的BN離CH有兩跳的距離，則位于第三層的BN距離CH有三跳的距離，根據(jù)這樣的模式，BN在第h層到CH距離為h跳。層數(shù)或跳數(shù)h與D的取值相關(guān)且滿足。對于簇間傳輸，本文根據(jù)應(yīng)急通信中需要互通自救的情況，簇間傳輸將是CH與CH間的相互通信。對于區(qū)域G中負(fù)載我們有如下定義：

定義1：簇內(nèi)負(fù)載Tint ra(D)，表示簇中所有BN到達(dá)本簇的CH的總跳數(shù)。

定義2：簇間負(fù)載Tint er(D)，表示整個系統(tǒng)中所有CH之間相互通信的總跳數(shù)。

定義3：總負(fù)載T(D)，表示簇內(nèi)負(fù)載Tint ra(D)與簇間負(fù)載Tinter(D)之和。

則分簇模型可用如下公式表示：

確定其最優(yōu)值D*使得總負(fù)載最小。

4　算法分析及仿真驗(yàn)證

由第三章礦井模型建立可知，BN進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自組織以便于井下人員在應(yīng)急通信中進(jìn)行互通自救。對于簇內(nèi)通信，為BN與CH間的通信。根據(jù)分簇模型的建立，可知在立方體簇中，當(dāng)層數(shù)取h時，D=2h-1，則第h層的網(wǎng)格數(shù)量為：由每個網(wǎng)格的BN數(shù)量為λa3，系統(tǒng)中簇的數(shù)量為，因此簇中所有BN到達(dá)CH的總跳數(shù)為：

由（4）式可知，在固定簇區(qū)域中，簇內(nèi)傳輸總跳數(shù)Tintra(D)與BN數(shù)量N成正比，當(dāng)N為一定值時，它隨著簇的邊長D的增加而增加。

對于簇間傳輸，為系統(tǒng)中CH之間的相互通信，令每個CH平均通信傳輸經(jīng)過M個CH，每相鄰兩個CH間的跳數(shù)為D，則對于簇間跳數(shù)Tinter(D)的計算，有：

由（5）式可知，簇間傳輸總跳數(shù)Tinter(D)與BN數(shù)量N以及平均傳輸量M成正比，當(dāng)N和M為一定值時，它隨著簇的邊長D增加而減少。

將公式（4）、（5）求和可知簇內(nèi)和簇間的總跳數(shù)T(D)為：

其中λ和a是定值，令，H與M成正比。則總跳數(shù)T(D)簡化為：

解上式求最優(yōu)值D*，其中D*與H的取值相關(guān)。

如圖3所示，通過一系列的H取值得到D的不同最優(yōu)值。實(shí)現(xiàn)三維礦井應(yīng)急通信中負(fù)載最小的條件。

5　結(jié)束語

本文基于脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和礦井通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際部署情況，提出一種在三維礦井中脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的選取方法，即三維礦井通信網(wǎng)絡(luò)分簇算法。該算法利用分簇模型實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)選以達(dá)到降低井下應(yīng)急通信中通信負(fù)載和時延的目標(biāo)。本文礦井模型中基站節(jié)點(diǎn)采用均勻分布的特點(diǎn)，與礦井的實(shí)際情況有一定的差別，今后將對井下基站非均勻分布模型進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)井下應(yīng)急通信。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢建生,李雙雙,王瑩瑩.煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)的設(shè)計[J].工礦自動化,2012(02):5-8.

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[3]Jun H,Juan L.Nodes clustering method in largescale network[C]// Wireless Communications,Networking and Mobile Computing (WiCOM),2012 8th International Conference on ,IEEE 2012:1-4.

作者簡介：喬霞（1989-），女，碩士，主研方向：無線通信，自組網(wǎng)。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.176